甲烷高空排放技術數值模擬

馮 飛 王 鹍

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

甲烷高空排放技術數值模擬

馮 飛 王 鹍

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

在液氧/甲烷發動機地面試驗中，發動機預冷過程中或試驗結束后，存在大量的甲烷需要進行排放處理。研究發現，原有甲烷排放系統在排放過程中甲烷向低空擴散較多，容易在地面形成積聚，發生危險。為了解決這些問題，重新設計了甲烷的排放方式，并進行了數值模擬研究。數值模擬顯示，新的排放方式向上擴散較多，甲烷不易積聚。同時，還研究了甲烷的擴散規律，為后續研究火炬點火等處理方式提供了參考依據。

數字化，液氧/甲烷發動機，甲烷排放，數值模擬

1 概 述

液氧/甲烷火箭發動機的研究已有較長歷史。早在20世紀前期，國外就曾進行了探索性的研究。美國在液氧/甲烷發動機領域開展了大量研究，多家美國研究機構進行了點火、傳熱、燃燒及積碳等基礎研究和較小推力發動機的研制工作。

液氧/甲烷發動機具有諸多優點：在碳氫化合物中，液氧/甲烷比沖最高；甲烷在世界范圍內儲量巨大，是目前地球上常規化石燃料儲量的2倍還多；國外進行的烴類燃料的碳沉積研究表明，在400℃～900℃的燃燒溫度范圍內，液氧/甲烷燃燒產物未出現明顯的積碳；美國在1980年進行了電傳熱試驗，研究烴類燃料的結焦特性，結果表明，烴類燃料中煤油的結焦極限溫度最低，甲烷最高；甲烷的密度約為氫的6倍、價格是液氫的1%。在美國重返月球計劃中，鑒于液氧/甲烷發動機的諸多優點，在美國國家航空航天局（NASA）支持下，洛克達因公司、XCOR公司及ATK公司等公司進行了液氧/甲烷發動機研究，并已開展了多次熱試車。

為研制低成本、高可靠、無污染、可重復使用、能夠單級入軌的火箭發動機，近幾年，我國也啟動了液氧/甲烷發動機的預研工作，并開展了一系列液氧/甲烷發動機關鍵技術集成驗證試驗。但是，試驗過程中的液態甲烷排放處理成為一個難題。本文基于數值模擬方法，對試驗過程中甲烷的高空排放問題進行了仿真研究，發現了原有排放系統的不足之處，重新設計了甲烷的排放方式，并通過數值模擬方法研究了甲烷的濃度分布情況，有利于后續采取火炬點燃等更有效的排放處理方式。

2 模型建立

2.1 模型建立及網格劃分

甲烷排放方式選擇高空排放，匯總排放管路高度為18m，排放口形式采用甲、乙2種，如圖1所示，這2種排放形式都具有4個排放口，管路內徑均為210mm。

考慮到管路為圓柱形軸對稱結構，將模型簡化，建立以垂直面為對稱面的二維模型，選取的計算域是20m×30m的長方形，研究重點為甲烷從排放管排出后的擴散情況，因此，對擴散區域進行網格劃分。采用非結構化網格，網格單元為四邊形網格，部分區域網格模型見圖2。

圖2 二維模型及網格示意圖

2.2 模擬方法及物性參數確定

湍流模型選用標準k-e模型，定義排放出口湍流強度為10%。采用燃燒模型中不發生化學反應的物質輸運模型來模擬甲烷的排放過程。物質輸運方程為：

Ri是化學反應產生速率，因本文僅模擬甲烷的排放擴散，不發生化學反應，所以，為離散相及用戶定義的源項導致的額外產生速率，是質量擴散通量，在k-e湍流模型中，

在系統中出現N種物質時，需要解N-1個這種形式的方程。本文將空氣看作1種單一氣體，共有甲烷、空氣2種組分，需要求解1個物質輸運方程。甲烷介質從排放口排出后與空氣進行傳質傳熱，進一步混合。甲烷的密度是影響其流動的重要參數，200K時甲烷密度為0.97kg/m3，300K時甲烷密度為0.64kg/m3。選用Boussinesq模型確定甲烷密度，此模型比使用依賴于溫度變化而密度發生變化的模型能夠獲得更快的收斂速度。因此，本文采用不發生化學反應的物質輸運和Boussinesq模型模擬甲烷排放的流場分布，計算采用非定常數耦合隱式解法，步長定為0.1s。

2.3 邊界條件及初始條件的確定

計算流體力學（CFD）模擬的基本邊界條件包括流體進口邊界、流體出口邊界、給定壓力邊界、對稱邊界、壁面邊界、周期性（循環）邊界等。結合所研究的實際問題，對以下4種情況進行模擬仿真，具體參數見表1。

在甲烷介質的大量排放過程中，其初始條件是排放管出口的狀態。液態甲烷通過排放管路與外界的熱交換，轉變為氣態甲烷，到排放管出口處溫度為200K左右。根據所選擇的邊界條件，模擬的初始條件包括：甲烷介質出口溫度、壓力、出口速度、出口流量、湍流強度、環境溫度等。通過排放流量計算可知，甲烷出口的流速為8.6m/s，保守起見，數值模擬時甲烷排放速度提高到10m/s。本地區年平均風速2.2m/s，故有風條件選擇2m/s的風速入口。

3 結果分析

圖3為無風情況下，甲烷氣體從甲種排放口排出后云團隨時間變化的軌跡圖。圖4為有風且風速為2m/s時甲烷排放過程中的云團隨時間變化的軌跡圖。

甲烷排放到大氣中，在擴散過程中會與空氣混合，形成甲烷-空氣云團。其中，甲烷在空氣中的體積含量是表征云團危險程度的重要參數。甲烷的爆炸范圍為體積含量的5%～15%，甲烷引起窒息的含量范圍是＞10%，所以確定5%為其危險下限，圖中僅顯示了濃度＞5%的甲烷分布情況。

由圖3可以看出，在無風情況下，從上面2個排放口排出的甲烷氣體隨著時間的推移，不斷向高空飄移。這是由于甲烷氣體的密度小于空氣密度，排放氣體呈浮力擴散。下面2個排放口排出的甲烷氣體，由于具有10m/s的排放速度，在排放過程中氣體有向下沖擊的趨勢，擴散過程中，在氣體排放速度和氣體浮力共同作用下形成如圖3所示的氣體云團。隨著時間的推移，浮力作用逐漸占據主導地位，在13s后氣體有向上飄逸的趨勢，擴散的動力主要源自環境對甲烷的浮力。介質不斷消散，直至最后達到與空氣非常接近的密度而轉為大氣擴散方式。從圖3可以看出，甲烷排放開始13s后，濃度＞5%的區域已經接近排放管所在地面，距離地面高度約1m，排放管周圍地面成為危險區域，有可能產生爆燃或者窒息。甲烷的擴散系數只有0.00734，若無外力干擾，其在空氣中的擴散速度很慢，長時間排放后，排放管地面附近會堆積甲烷氣體，形成不安全因素。

圖3 甲烷排放過程云團隨時間變化軌跡圖（無風）

圖4 甲烷排放過程云團隨時間變化軌跡圖（風速2m/s）

由圖4可見，當排放過程中有2m/s的微風時，甲烷的擴散速度明顯加快，大量排出的甲烷在空氣流動的驅動下從右側快速飄散，不會向下擴散至地面，可確保安全排放。

而在某次實際排放試驗過程中，試驗當天由于幾乎無風，明顯可以看到大量甲烷氣體下落到地面附近，排放過程中的氣體分布與數值模擬相似，這也表明數值模擬具有一定的參考性。通過此次試驗與數值模擬可以看出，甲烷的排放過程需要改進，速度向下的排放不利于甲烷氣體擴散。在有風的情況下，現有排放系統可以保證大量甲烷的安全排放，但是若無風，則會像此次試驗一樣，產生一些不安全因素。因此，擬將甲烷排放管改為乙種排放形式。下面對這種排放形式進行數值模擬，為下次液氧/甲烷發動機試驗提供參考，以保證試驗過程更加安全、可靠。

圖5為無風情況下，甲烷氣體從乙種排放口排出后云團隨時間變化的軌跡圖。圖6為風速2m/s情況下，甲烷氣體從乙種排放口排出后云團隨時間變化的軌跡圖。

由圖5可以看出，從乙種排放管排放甲烷時，甲烷氣體以向上飄散和向周圍擴散為主，向下擴散的距離有限。開始排放10s后，甲烷氣體幾乎全部向高空飄散，屬于安全的高空排放，因此，乙種排放管的排放效果優于甲種排放管。

由圖6可以看出，當有空氣流動時，空氣流動也成為甲烷擴散的主要影響因素，大量排出的甲烷會在較短時間內迅速擴散，不會造成甲烷氣體堆積及下沉，能夠滿足安全排放要求。

圖5 甲烷排放過程云團隨時間變化軌跡圖（無風）

圖6 甲烷排放過程云團隨時間變化軌跡圖（風速2m/s）

由此可見，對于乙種排放管，無論哪種天氣狀況，其都可以滿足甲烷的安全排放要求。數值模擬對于甲烷的排放具有一定的指導意義，排放口的形式可以進行一些改進，同時，通過數值模擬得到甲烷的擴散情況，可為后續火炬點火處理等方式提供參考，例如設置點火位置及時間等，以確保甲烷能夠以更安全、更環保的方式進行排放。

4 小 結

大流量甲烷的排放技術是大推力液氧甲烷發動機試驗中的難題之一。根據初步制定的高空排放設計方案建立模型，采用不發生化學反應的物質運輸模型和Boussinesq模型對甲烷的排放情況進行數值模擬。通過分析，發現原有排放系統在排放過程中，甲烷向低空擴散較多，容易在地面附近聚集，發生危險。根據該情況，重新設計了甲烷的排放方式。數值模擬顯示，新的排放方式甲烷向上擴散較多，不易積聚。同時，通過數值模擬，研究了甲烷的擴散規律，為后續研究火炬點火等處理方式提供了參考依據。

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1009-8119(2015)01(1)-0058-03